مقدمه ای بر شرایط مرزی در نرم افزار FLUENT بخش ۴
در مورد شرط‌های مرزی حرارتی، گزینه‌های متفاوتی وجود دارد و یک دیوار را از نظر حرارتی می‌توان به پنج روش مدل‌سازی نمود. توجه به این نکته ضروری است که در کلیه شرایط مرزی اعمال‌شده، در واقع شرایط جریان و حرارت در داخل دامنه حل از شبیه‌سازی مشخص است و نیازی به اعمال شرط مرزی بر روی دیواره و به سمت داخل دامنه حل نیست. بنابراین شرط مرزی اعمال‌شده بر روی دیوار، به سمت بیرون دامنه حل و جایی که شبیه‌سازی انجام نمی‌شود، اعمال می‌شود. به طور مثال، زمانی که از شرط مرزی جابجایی (طبیعی، آزاد) استفاده می‌شود، فرض می‌شود در پشت دیوار و منطقه‌ای که در شبیه‌سازی مستقیماً قرار ندارد، جریانی از سیال با دما و ضریب انتقال مشخص، با دیوار تبادل حرارت انجام می‌دهد.
۱-Heat Flux
با استفاده از این شرط، می‌توان شار حرارتی مورد نظر را در بر روی دیوار اعمال نمود. به طور مثال، در شرایطی که یک دیوار از سمت بیرون توسط المان‌های حرارتی سطحی گرم می‌شود، می‌توان شار حرارتی را به صورت ثابت و یا تابع UDF تعریف نمود.
۲-Temperature
با استفاده از این شرط، دمای دیوار در طول شبیه‌سازی ثابت فرض می‌شود. این دما می‌تواند به صورت تابعی از زمان، شرایط داخل دامنه حل و مشابه آن تعریف شود. بدین منظور می‌بایست از توابع UDF استفاده نمود.
۳-Convection
با استفاده از این شرط، فرض می‌شود جریانی از بیرون، با مرز دیوار انتقال حرارت انجام می‌دهد. برای این شرط می‌بایست ضریب انتقال حرارت جابجایی و همچنین دمای جریان آزاد را تنظیم نمود.
۴-Radiation
با استفاده از این مرز، فرض می‌شود دیوار از سمت بیرون در معرض تابشی با دمای مشخص است. مقادیر مورد نیاز برای این مرز، دمای منبع تابش و همچنین ضریب جذب سمت بیرون دیوار است. توجه به این نکته ضروری است، در صورتی که مدل‌های تشعشعی در شبیه‌سازی فعال باشد، با فعال نمودن این شرط، می‌بایست دو ضریب جذب اعمال نمود، یکی بر روی دیوار به سمت داخل دامنه حل که تحت عنوان Internal Emissivity معرفی می‌شود و دیگری به سمت بیرون دامنه حل که تحت عنوان External Emissivity معرفی می‌شود. شرایط تشعشع خارجی، به صورت تحلیلی بر روی مرز فعال می‌شود و نیازی به فعال‌سازی مدل تشعشعی ندارد.
۵- Mixed
با استفاده از این شرط مرزی، می‌توان تلفیقی از شرایط جابجایی و تشعشع را بر روی دیوار اعمال نمود.
شکل ۲۳- شرط مرزی حرارتی تلفیقی دیوار
۵- Via System Coupling
این شرط به تازگی به نرمافزار اضافه شده‌است و با استفاده از آن می‌توان شرط مرزی حرارتی دیواره را از طریق شبیه‌سازی انجام‌شده در نرمافزار دیگری از خانواده انسیس مانند ANSYS Thermal فراخوانی و استفاده نمود و شرط مرزی محاسبه‌شده در این مرز را نیز به نرمافزار دیگری منتقل نمود.
۶- Heat Generation Rate
با استفاده از این گزینه می‌توان تولید حرارت در پوسته مرز را مدل‌سازی نمود. بدین منظور می‌بایست ضخامتی برای دیوار تنظیم شده باشد تا از حاصل‌ضرب آن در سطح هر المان مرزی، حجم المان حجمی مفروض در مرز، محاسبه و در نهایت با ضرب آن در نرخ حرارت تولیدی در واحد حجم، حرارت به ازای هر المان مفروض محاسبه شود.
۷- Wall Thickness
با اعمال ضخامت بر روی مرز، علاوه بر امکان محاسبه میزان حرارت تولیدی در مرز، می‌توان مقاومت حرارتی مرز را نیز محاسبه نمود. زمانی که ضخامتی برای یک مرز در نظر گرفته می‌شود، شرط مرزی اعمال‌شده از بین گزینه‌های پنج‌گانه (جابجایی، تشعشع، دما، شار و یا تلفیقی) بر روی مرز بیرونی دامنه حل اعمال‌شده و شرایط مرز داخلی که در واقع مرز قرار گرفته بر روی دامنه شبیه‌سازی است (سطح متعلق به شبکه محاسباتی)، پس از اعمال مقاومت مرز دارای ضخامت اعمال می‌شود. به طور مثال زمانی که دمایی برای مرز تنظیم شده باشد و در عین حال مرز دارای ضخامت باشد، فرض می‌شود در سمت بیرون پوسته مفروض برای مرز، دما طبق مقدار تنظیم‌شده مشخص است. پس از آن مدار حرارتی شامل مقاومت هدایت سطح و مقاومت جابجایی سمت دامنه حل اعمال می‌شود. با مشخص بودن میزان شار حرارتی از شبیه‌سازی و مشخص بودن دمای سمت سیال و سطح بیرونی پوسته مفروض، می‌توان دمای سطح داخلی پوسته مفروض را محاسبه نمود. در واقع سطح داخلی پوسته مفروض، همان مرز دامنه حل است.
۸- Shell Conduction
با فعال‌سازی این گزینه، هدایت حرارتی، علاوه بر راستای عمود بر پوسته، در امتداد پوسته (سطح پوسته) نیز انجام می‌شود. بنابراین در داخل پوسته مفروض، حرارت از نقطه دارای دمای بالا به سمت نقطه دارای دمای پایین جریان می‌یابد. بدین ترتیب انتقال حرارت سه بعدی کامل، به دو انتقال حرارت یک‌بعدی عمود بر سطح و دوبعدی در امتداد صفحه تبدیل شده و می‌توان با استفاده از همان المان‌های سطحی تولید شده برای مرز، فرآیند انتقال حرارت سه‌بعدی بر روی پوسته را با دقت نسبتاً مناسبی شبیه‌سازی نمود. در نسخه جدید نرمافزار، امکان تعیین تعداد طبقات شبکه فرضی بر روی مرز و همچنین اعمال ضخامت و مواد مختلف به ازای هر طبقه نیز فراهم شده است. بدین ترتیب، نتایج شبیه‌سازی انتقال حرارت Shell Conduction تا حد زیادی به شبیه‌سازی سه‌بعدی کامل نزدیک می‌شود.
شکل ۲۴- تنظیمات مشخصات طبقات در انتقال حرارت پوسته‌ای
۱۲- شرط مرزی دیوار- دوطرفه (Wall)
دیوارهای دو طرفه در واقع دیوارهایی هستند که دو طرف آن‌ها سلول محاسباتی وجود دارد. این دیوارها می‌توانند مرز بین دو سیال، دو جامد و یا یک سیال و یک جامد باشند. در نرمافزار FLUENT، دیوارهای دو طرفه تبدیل به دو دیوار یک‌طرفه نظیر می‌شوند، که از نظر حرارتی با یکدیگر کوپل‌اند و هر میزان حرارت از یک دیوار وارد شود، از سمت مقابل خارج می‌شود، مگر آن‌که برای دیوار ضخامت و نرخ تولید حرارت در نظر گرفته شود. پس از فراخوانی فایل شبکه در نرمافزار FLUENT ، دیوارهای دوطرفه تبدیل به دو دیوار یک‌طرفه می‌شوند، که یکی با نام تولید شده در نرمافزار تولید شبکه و دیگری با همان نام و اضافه‌شدن پسوند Shadow معرفی و مورد استفاده قرار می‌گیرد. اگر این دیوار مرز بین دو منطقه سلولی باشد، می‌توان با باز کردن هر یک از دو مرز مذکور، تعلق آن به مناطق سلولی را بررسی نمود.
به طور مثال دیواری که بین یک سیال و جامد قرار گرفته است، تبدیل به دو دیوار می‌شود که یکی متعلق به سیال و دیگری متلعق به جامد است. در دریافت گزارش‌های پس از تحلیل نیز می‌بایست به این مسأله توجه کافی داشت. به طور مثال، بر روی دیوارهای مشترک بین سیال و جامد، میزان درگ وارد بر دیوار، در سمت سیال قابل محاسبه است و متغیرهای تنش بر روی دیوار همسایه جامد تعریف نشده‌اند. به همین ترتیب، شار حرارتی بر روی هر دو دیواره تعریف می‌شود، اما ضریب انتقال حرارت جابجایی تنها بر روی سمت سیال تعریف می‌شود.
در مورد دیوارهای دو طرفه، می‌توان شار حرارتی و یا دمای دیوار را نیز تعریف کرد، اما توجه به این نکته ضروری است که در این شرایط، ارتباط حرارتی بین دو سمت دیوار قطع شده و دیگر دو سمت دیوار از نظر حرارتی با یکدیگر کوپل نیستند. در مورد شرط مرزی هیدرودینامیکی دیوار جداکننده دو سلول سیالی، می‌توان برای دو طرف، شرایط مختلفی از قبیل، سرعت لغزش و ارتفاع زبری تعریف نمود.
شکل ۲۵- دیوارهای دو طرفه در شرایط مرزی نرمافزار
شکل ۲۶- تنظیمات شرط مرزی حرارتی دیوار دو طرفه
۱۳- شرط مرزی تقارن- Symmetry
در شرایطی که فیزیک مورد شبیه‌سازی از نظر هندسی و جریانی متقارن است، می‌توان نیمی از آن را شبیه‌سازی نمود و تاثیر نیمه دیگر را با استفاده از شرط مرزی تقارن در نظر گرفت. توجه به این نکته ضروری است که تقارن هندسی دامنه حل برای استفاده از مرز تقارن کافی نیست . به طور مثال خودرویی را در نظر بگیرید که در معرض وزش بادی در یک تونل باد است. در حالت اول، باد دقیقاً در امتداد خودرو به آن می‌وزد و در حالت دوم با زاویه‌ای نسبت به آن برخورد می‌کند. در حالت اول می‌توان از مرز تقارن و نیمه دامنه اصلی برای شبیه‌سازی استفاده نمود، اما در حالت دوم با وجود تقارن در هندسه، به دلیل عدم تقارن جریان در دو سمت خودرو، استفاده از مرز تقارن مجاز نیست.
بر روی مرز تقارن، کلیه گرادیان‌های عمود بر مرز، صفر در نظر گرفته می‌شود و هیچ جریانی از آن عبور نمی‌کند. تنها ورودی این مرز، نام مرز است که از پیش تعیین شده و در صورت لزوم می‌توان آن را ویرایش نمود.
شکل ۲۷- صفحه تقارن مورد استفاده در شبیه‌سازی جریان داخل ریه
نویسنده: آقای مهندس احسان سعادتی